【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高速测量，具体涉及一种采用四码字编码图辅助相位展开的3d轮廓重建系统。
技术介绍
1、光学三维形状测量已广泛应用于工业质量检测、虚拟现实、逆向工程、文物保护等多个领域，条纹投影轮廓测量法(fpp,fringe projection profilometry)作为一种三维测量技术，因其结构简单、成本低和条纹生成简单而备受广泛关注。在fpp中，投影仪将条纹图投射到物体上，然后照相机捕捉到包含物体深度信息的变形图。通过分析采集到的变形条纹图，可以得到物体的相位分布，由于这个过程涉及到反正切操作，从正弦条纹图获得的包裹相位必须展开。
2、在过去的几十年里，许多相位展开方法已经被迅速的发展起来，传统上可以分为两大类：空间相位展开(spu,spatial phase unwrapping)和时间相位展开(tpu,temporalphase unwrapping)。spu算法基于世界是连续的观点，这是一种相对相位展开算法，spu算法不需要额外的图就可以展开包裹相位。但是，如果包裹相位不可靠，相位误差可能会产生并且扩散到后续点，造成相位展开出错，特别是对于相邻像素的相位差超过2π的物体，相位展开的过程中会造成错误，比如不连续物体或者多个孤立物体，tpu方法可以解决这个问题。
3、tpu的主要思想是每个像素的相位值是时间的函数，并且在相位展开过程中像素的操作是相互独立的。因此，不会出现错误传递现象。tpu方法更适用于测量复杂形状或分离的物体。典型的tpu方法包括：1)、多波长/多频率方法，2)、灰码方法，3)
4、灰度编码方法通过投影一系列预先设置的二值图来消除相位的不连续性，投影的灰度编码图的数量为log2m，这里m是条纹周期的数目。因此，当m较大时，需要在被测物体上投影更多的图。wang等人提出一种重新设计的灰码的对其相位展开方法，可以通过减少至少两幅灰码图来有效地获得准确的三维形状。qi等人提出了一种新的少量图案的绝对相位测量方法，本专利技术可以在不降低每个楼梯的强度水平的情况下，获得大量的条纹级次码字。ran等人提出了一种基于半周期编码的灰度编码策略，在一幅图中能够用n个灰度级生成n2个码字。此外，本专利技术对中等的图像模糊不敏感。相位编码方法将码字以相位的形式嵌入到周期性正弦条纹中，因此对图像噪声、环境光和表面对比度变化的敏感度较低。chen等人提出了一种两位数相位编码(tdpc,two-digit phase-coding)策略，可以在不增加额外的图的情况下生成更多的码字。zheng等人提出将码字同时嵌入复合条纹模式的相位域和强度域，显著扩展了有效码字的编码范围。wu等人提出将单位频率的斜坡图案与三幅相移正弦条纹图案相结合，形成一个复合图案，以最少数量的条纹图案实现tpu。由于在测量过程中使用高频条纹图可以有效地提高测量精度，因此，在采用灰度编码或相位编码方法时，需要生成大量的码字，大量码字的生成需要更高的量化等级或多个图才能实现。然而，较高的量化等级很容易导致量化误差，而使用过多的图会导致测量速度的降低。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种采用四码字编码图辅助相位展开的3d轮廓重建系统，本专利技术基于单一大范围灰度编码图的绝对相位恢复，本专利技术需要一幅额外的只包含两个灰度级的编码图，就可以计算得到条纹级次图，利用两个主值区间不同的包裹相位，将正弦条纹的一个周期分为四个区域。每个区域分别嵌入不同的码字，就可生成编码图。本专利技术所提方法在生成更大编码范围的同时有效降低了量化级别，避免了量化误差的发生。
2、为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：采用四码字编码图辅助相位展开的3d轮廓重建系统，构建一个典型的n步相移轮廓术的测量系统，由fpga模块、图像投影模块、图像采集模块及时序控制单元四个硬件部分组成，利用fpga模块生成n幅正弦条纹图和1幅灰度编码图，通过图像投影模块将生成的图像投影到被测物体上后，利用图像采集模块进行采集，得到n幅变形的正弦条形图和1幅变形的灰度编码图，通过时序控制单元控制图像采集模块与图像投影模块同步工作，使得在投影一帧图像的同时能够同步采集图像，采集到的变形图利用fpga模块进行处理，即可得到物体的3d信息；
3、fpga模块分为图像编码与图像解码，在图像编码过程中，相移为2π/n的正弦条纹图投影到三维漫反射物体表面上，相机捕捉到的相应变形图案表示为：
4、
5、式中，(x,y)为像素坐标，a(x,y)为平均强度，b(x,y)为强度调制，为物体表面条纹的相位信息；
6、结合式(1)得到包裹相位：
7、
8、由于公式(2)涉及到反正切操作，被限制在[-π,π]，记作包裹相位，采用条纹级次k(x,y)得到连续相位，表示为：
9、
10、在两位数相位编码策略中，每个条纹根据正弦图中的相位值分为两部分，当使用m个量化等级来编码每个半周期时，生成m2个码字，g1表示前半部分的码字，g2表示后半部分的码字，将码字g1和g2嵌入到编码图中，表示为：
11、
12、其中，为一个向上取整函数，t为每个周期的像素数，m为量化等级，mod()为取余操作。
13、结合上述方程，通过式(2)计算出包裹相位和编码相位根据编码相位的范围得到码字g1和g2后，条纹级次k计算为：
14、k＝g1+(g2-1)×4 (5)
15、在计算得到条纹级次k后，通过式(3)得到绝对相位；
16、一种单一的大范围灰度编码策略：通过投影仪将利用计算机生成的正弦条纹图投影到参考平面，再使用相机拍摄，得到变形的条纹图，将拍摄的到的条纹图上传到计算机后，恢复出物体表面的三维信息，计算机生成的n幅正弦条纹图中，相邻两幅的相移为2π/n，相机的光轴oc垂直于参考面，投影仪的光轴op与相机的光轴oc相交，夹角为θ，θ位于yoz平面内；
17、灰度编码方法通过投影额外的编码图来获得条纹级次，从而实现了相位展开。与格雷码法和直接投影条纹级次图的方法相比，本专利技术在量化等级和额外投影条纹图的数量之间取得了平衡。当考虑测量速度时，投影的额外编码图的数目需要减少，但这将导致所需量化等级的增加。计算出的条纹级次精度会受到量化等级的影响。相反，当需要更高的测量精度时，应该使用较低的量化等级，但它将增加投影图的数目。本专利技术试图利用具有较低量化等级的较少编码图来精确计算条纹级次，同时确保条纹级次的范围足够大。在这个基础上计算了本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.采用四码字编码图辅助相位展开的3D轮廓重建系统，其特征在于，由FPGA模块、图像投影模块、图像采集模块及时序控制单元四个硬件部分组成，利用FPGA模块生成N幅正弦条纹图和1幅灰度编码图，通过图像投影模块将生成的图像投影到被测物体上后，利用图像采集模块进行采集，得到N幅变形的正弦条形图和1幅变形的灰度编码图，通过时序控制单元控制图像采集模块与图像投影模块同步工作，使得在投影一帧图像的同时能够同步采集图像，采集到的变形图利用FPGA模块进行处理，得到物体的3D信息。
2.根据权利要求1所述的采用四码字编码图辅助相位展开的3D轮廓重建系统，其特征在于，FPGA模块分为图像编码与图像解码，在图像编码过程中，相移为2π/N的正弦条纹图投影到三维漫反射物体表面上，相机捕捉到的相应变形图案表示为：
3.根据权利要求2所述的采用四码字编码图辅助相位展开的3D轮廓重建系统，其特征在于，所述FPGA模块还包括错误码字矫正：对所获得的编码图进行了校正，平均强度A被用作对编码图进行二值化的阈值，对二值化的结果进行邻域预测操作后再进行校正，图像的边缘利用相邻的点进行填充，将填充
...【技术特征摘要】
1.采用四码字编码图辅助相位展开的3d轮廓重建系统，其特征在于，由fpga模块、图像投影模块、图像采集模块及时序控制单元四个硬件部分组成，利用fpga模块生成n幅正弦条纹图和1幅灰度编码图，通过图像投影模块将生成的图像投影到被测物体上后，利用图像采集模块进行采集，得到n幅变形的正弦条形图和1幅变形的灰度编码图，通过时序控制单元控制图像采集模块与图像投影模块同步工作，使得在投影一帧图像的同时能够同步采集图像，采集到的变形图利用fpga模块进行处理，得到物体的3d信息。
2.根据权利要求1所述的采用四码字编码图辅助相位展开的3d轮廓重建系统，...
【专利技术属性】
技术研发人员：武迎春，杨娜，刘丽，李晋红，王安红，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：
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